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Foto: A. Griesch/MPP
Foto: A. Griesch/MPP

Beschleunigung im Plasma: Wie funktioniert das?

Darstellung der Plasmabeschleunigung
Simulation eines Protonenstrahls (gelb), der unter dem Einfluss des Plasmafelds (blau) verdichtete Bereiche bildet. Auf diesen "Wellen" lassen sich die Elektronen beschleunigen (Bild: J. Vieira)

In einem Plasma lassen sich große elektrische Felder aufrechterhalten. Deswegen ist es ein geeignetes Medium, um Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Mit Hilfe eines Protonenstrahls wird eine geladene Welle in einem Plasma erzeugt.

Wie funktioniert das? Ein Plasma besteht aus freien negativ geladen Elektronen und positiv geladenen Ionen. Der Protonenstrahl ist positiv geladen. Tritt ein Protonenstrahl in ein Plasma ein, zieht er die negativ geladenen Elektronen in seiner Umgebung an.

Wegen der hohen Geschwindigkeit des Protonenstrahls beginnen die Elektronen des Plasmas zu oszillieren. Die Oszillation erzeugt abwechselnd Regionen mit niedriger und hoher Elektronenkonzentration im Plasma – die positiven Ionen verhalten sich entgegengesetzt dazu. Diese Oszillation bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der erzeugende Protonenstrahl.

Wird im richtigen Moment ein schnelles Teilchen injiziert, das heißt, in das oszillierende Plasma gegeben, dann kann es auf der Welle „mitfahren“ und wird  beschleunigt. Diesen Prozess kann man sich bildlich vorstellen: Ein schnelles Boot erzeugt eine große Bugwelle, die ein Surfer reitet und dabei Energie gewinnt.

Bis zum ersten Plasmabeschleuniger dauert es allerdings noch viele Jahre. Zunächst wird der Beschleuniger-Prozess weiter erforscht und perfektioniert – bis die Elektronenstrahlen die erforderliche Qualität haben, um damit künftige Hochenergie-Experimente  zu betreiben.